追问新知 | 如何“超清”捕捉大脑中的血流？
巴黎医学物理实验室副主任Mathieu Pernot将大脑的血管网络称作大脑的生命线，它就像一棵树，树干始于颈动脉，沿着这对宽阔的通路不断延伸，而后分成枝杈伸展进大脑的各个脑叶。枝杈又不断分叉从而形成了树冠——一张由无数微小血管组成的网。其中最窄的血管仅容单个红细胞通过，在某种意义上，这些血管类似于树叶。
Pernot表示，“通过病理学观察不难发现，病症往往不是出现在树干上而是在叶子上。”就像通过树叶变黄枯萎的现象，我们能够诊断出榆树得了榆树枯萎病一样，大脑中最微小的血管往往会首先记录下神经元和突触活动的变化，当然也包括疾病的发生。但直到最近十年左右，我们才开发出检测血流中这些微观变化的技术：超高速超声成像。
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超高速超声成像能显示大脑深层区域的活动，
这是过往成像技术无法做到的。
标准超声成像具有微创、成本低、便携等特点，并能实时生成图像，在临床成像中广受欢迎。但由于骨骼易散射超声波，且标准超声成像太慢而无法检测大脑小动脉中的血流，因此至今标准超声成像还很少用于大脑成像。神经学家主要将其用于新生儿检查和指导外科医生进行一些脑部手术，前者头骨的骨板之间有间隙，后者通常已切除部分头骨。科研人员还可以将该设备定位在颞骨窗（头骨最薄的区域）上方，通过大脑动脉的成像，来研究大脑两个半球之间的功能差异。
而相比标准超声成像，超高速超声成像的速度更快、功率更大、空间敏感度更高：每秒可以产生数千张详细的高分辨率图像。伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校研究超声技术的Peifeng Song形象地比较了两项技术，如果说传统超声成像是“从钥匙孔里窥视”，那么超高速超声成像便是“打开了整扇门”。神经科学家们表示，它不仅能够帮助医生更早地诊断出脑癌或阿尔茨海默病等脑部疾病，还可以帮助从事动物模型研究的神经科学家解决重大研究问题，并加快外肢体机器人等非侵入性脑机接口的开发。
Peifeng Song表示，在神经科学领域仍然有许多未解之谜，而关于大脑是如何工作的问题，还需要进一步探索。超高速超声成像可以非常精确地追踪大脑信号，记录下当大脑执行从感知到决策的功能时，神经环路和细胞群之间是如何相互作用的。
与蝙蝠导航行为相同的是，功能性超声成像通过回声进行定位。超声波由于音调过高而无法被人类听到，却可以与体内的组织或细胞发生碰撞并反射出去。回声被捕获后，可用于计算血细胞的位置和速度。反射回的超声波的频率能够揭示血液流动的位置（血液为工作特别努力的脑区提供氧气和葡萄糖），或者大脑的哪些区域没有得到所需的血液和营养。这些图像能够让研究者和临床医生了解到大脑中哪些区域是活跃的（例如负责决策的区域），哪些区域则面临损伤的风险。
在过去的十年里，随着计算机处理能力的进步，研究者们开始改进超声技术，从发射单一波束，转为发射一系列平面波（由一组超声波束阵列形成），以不同的角度击中目标。这样生成的图像，其清晰度比传统超声成像、磁共振成像或CT扫描成像的高几个数量级，而且也不需要像其他成像方法那样进行权衡，例如磁共振成像仪需要强大且昂贵的磁体来提高其分辨率。新型超声成像的工作速度也比传统超声成像的快100倍，这在时间紧迫的医疗紧急情况下具有重要意义。Pernot说，这样的速度使超声成像能够在癫痫发作时迅速进行追踪。
▷ 超声定位显微镜拍摄的大脑中血流的高分辨率图像 图片来源：Junjie Yao’s lab at Duke University
加州理工学院博士后Sumner Norman表示，“即使在几年前，这种类型的数据吞吐量*也是巨大的……所以你不能指望它做很多任务。”但随着计算机能力赶上需求，超高速超声成像变得更加可行。在Peifeng Song的实验室中，他们的3D超声成像需要大约10TB的数据才能对每只实验动物的大脑进行3D完整成像——这相当于以标准清晰度播放Netflix 10000小时的视频所需的数据量。
▷*编者注：吞吐量是指对网络、设备、端口、虚电路或其他设施，单位时间内成功传送数据的数量（以比特、字节、分组等测量）。
如今，研究人员已经具备了创建这种高速、精细图像的计算能力，以及跟踪细胞的长期运动的能力。巴黎文理研究大学的Mickael Tanter实验室于2022年8月发表的研究，从微观水平上描述了整个大鼠大脑的活动。这些图像显示了光成像无法到达的大脑深层区域的活动，并且细节惊人，其时间分辨率为1秒，空间分辨率达几微米，比磁共振成像或CT扫描的分辨率精细得多。
在人类身上，超声成像研究人员们正在寻求创造性的方法以绕过头骨的阻碍。日内瓦大学的Fabienne Perren和同事们以及Tanter，试图使用造影剂来解决这个问题，即在病人血液中注入微气泡*。尽管一些超声波仍会与头骨发生碰撞和散射，但穿过头骨的超声波在被气泡反弹时更有可能反射回来。目前CT扫描只能显示一团区域，超声成像技术已经可以使研究小组放大图像，直到他们能够精确地确定膨胀血管内的湍流。Tanter的实验室还通过新生儿颅骨板之间的缝隙发送超声波信号，以记录癫痫发作和睡眠期间的大脑活动。
▷*编者注：造影剂是一些小气泡，能够随血液在身体中流动，超声波遇到小气泡产生特殊的回声，这样就可以描绘出更立体、更细致的身体组织图像。
科学家们还可以移除一小块头骨以便使用超声波进行研究。Norman和他的同事们用超声波设备替换了猴脑的一块多米诺骨牌大小的头骨。当一只猴子打算移动手臂时，大脑中负责计划运动的脑区的活动图像就会显现出这一意图。该方法准确预测运动方向的概率约为89%。这与在头皮上植入电极的方法的准确性相当，据报道，后者准确预测运动方向的概率约为70%～90%。
在战场上，一个手持设备比磁共振成像仪更加适用。
但置于头皮上的电极很难检测到大脑深处的活动，同时电极更具侵入性，可能会导致组织损伤。与之相比，超声成像可以更好地检测大脑深处的活动，研究人员预计超声波的快速加速能力同样能够带来改进。这些发现发表在2021年的Neuron杂志上。超声成像可以读取大脑活动，例如，它可以揭示一个人想要如何移动手臂，并将相应数据输入到控制机械臂的计算机中。这些研究成果为将想法转化为行动的外肢体机器人奠定了基础，“我们已经在（使机器人）向人类靠拢”，Norman说道。
超高速超声成像还可以帮助外科医生在手术前去除骨头碎片。华盛顿大学神经外科助理教授Zin Khaing正在对脊柱手术患者进行增强超声检查。“如果我现在受伤了”，她举例说，“你们会给我做CT扫描或X光检查，也许还会做磁共振成像”，但这些技术只能给出解剖图像， “它只能告诉我们所有碎片的位置，以及是什么正在压迫脊髓组织”，但并不能对血流进行跟踪及成像。
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在她的临床试验中，手术室使用超高速超声成像实现了对血流的跟踪。Khaing的目标是描绘出哪些组织仍存在血流，医生就可以据此对相应组织进行救治；而对于检测出存在肿胀的区域，医生也可以减轻相应位置的压力。她希望即使在资源稀缺的地区，也能够使用超声成像指导手术。她说：“你并不能在战场上使用磁共振成像仪，此时一个手持超声设备会更加适用。”此外，麻省理工学院的研究人员已经开发出薄型超声贴，医生无需手持超声波棒便可以长期监测器官。Khaing认为这种超声波设备就像创可贴，比探头更易于使用。
Pernot希望科学家们能够解决颅骨对超声波的影响。他说，就像研究人员可以弥补望远镜镜头中的缺陷一样，他们也可以通过算法来调整头骨散射超声波信号的方式。杜克大学的Junjie Yao开发了一项同时使用超声成像和光成像的技术，他说，X射线可以绘制头骨精确的几何形状，帮助建立一个关于头骨是如何扭曲超声波的模型。该模型可用于校正超声图像，使图像看起来没有失真，就好像根本不存在头骨一样。“克服头骨的障碍绝非不可能，但这将是一个非常具有挑战性的工程，”Junjie Yao补充道。
超声成像仍然在迅速地更新迭代，正如Junjie Yao所说，“每天都会有许多新的想法涌现”。仅在几年的时间里，他就从小动物试验转向大型动物实验，向我们展示了超声成像读取大脑活动的巨大潜力。Junjie Yao表示，“它的发展速度真是令人难以置信，通常一项新技术需要长达几十年的时间才能真正发挥作用。”但随着计算机处理能力的飞速提升，超高速超声成像的优势更加显著。现在，研究人员可以跟随流淌的血液深入大脑内部。“通过这种成像技术我们将逐渐进入另外一个世界，”Tanter这样说道。
原文：https://nautil.us/a-new-doorway-to-the-brain-242099/?_sp=02815c70-2ad3-407b-97f2-5dda41098d48.1672710002719
翻译：Joyce
责编：lixia
排版：Joyce
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